“悟空”發現疑似暗物質蹤跡 中國探問宇宙之謎邁出重要一步

來源︰新華社作者︰陳芳、董瑞豐、蔡玉高、蔣芳責任編輯︰楊帆
2017-12-04 15:14

“悟空”發現疑似暗物質蹤跡 中國探問宇宙之謎邁出重要一步

新華社記者陳芳、董瑞豐、蔡玉高、蔣芳

暗物質,一個人類追尋多年的宇宙魅影,最近被中國“悟空”發現了疑似蹤跡。

國際權威學術期刊《自然》于北京時間30日在線發布,暗物質粒子探測衛星“悟空”在太空中測量到電子宇宙射線的一處異常波動。這一神秘訊號首次為人類所觀測,意味著中國科學家取得了一項開創性發現。

“‘悟空’的最新發現,是引領性原創成果重大突破。”中科院院長白春禮說,如果後續研究證實這一發現與暗物質相關,將是一項具有劃時代意義的科學成果,即便與暗物質無關,也可能帶來對現有科學理論的突破。

探問宇宙之謎的火炬,傳承到新時代的中國人手中。從“東方紅一號”到“悟空”,從茫茫深海到浩渺太空,“中國夢”正承載起更多為全人類探尋未知、解答未知的使命。

打開“新窗口”︰疑似暗物質蹤跡初現?

經過兩年持續觀測,“悟空”在1.4萬億電子伏特(TeV)的超高能譜段,“定位”了一束明顯異于常態的電子宇宙射線。

“之前沒有人發現過。”“悟空”首席科學家、中科院紫金山天文台副台長常進解釋,正常的能譜變化應該是一條平滑的曲線,但根據“悟空”觀測數據,這里突然出現了一處劇烈波動,劃出一個“尖峰”,意味著此處必有“古怪”。

“現有的物理模型無法解釋‘悟空’的最新發現。”《自然》審稿人、一位國際知名的理論物理學家這樣評價。

新發現是否就是科學家苦苦追尋的暗物質蹤跡?中科院理論物理研究所所長吳岳良說,根據現有數據和理論模型無法做出斷定,但這是“暗示了暗物質粒子存在的可能的新證據”。

暗物質是什麼?發現暗物質的意義究竟有多重大?

當前主流科學界認為,人類已經發現的物質只佔宇宙總物質量不足5%,剩余部分由暗物質和暗能量等構成。由于暗物質無法被直接觀測,與物質相互作用也很弱,人類至今對它知之甚少。

暗物質的“真相”因此位列21世紀最重要的科學謎團之一。揭開暗物質之謎,被認為是繼哥白尼的日心說、牛頓的萬有引力定律、愛因斯坦的相對論、量子力學之後,人類認識自然規律的又一次重大飛躍。

面對誘人前景,科學家在全球展開競爭,試圖第一個找到暗物質的蹤跡。天上,把強磁場設備送進太空;地下,深入幾千米的大山建造實驗室……科學家使出渾身解數,用上了多種探測手段,國際上的相關實驗和設備多達數十個。

“‘悟空’用的是探測高能宇宙射線的方式,尋找暗物質粒子湮滅的間接證據。”常進說,根據理論模型,暗物質湮滅會產生高能伽馬射線、高能電子等宇宙射線,一旦找到特定的高能宇宙射線,有望推斷出暗物質的“廬山真面目”。

“悟空”得出數據後,研究人員為了排除分析方法可能產生的干擾,將初始數據分別交由4個中外團隊獨立分析計算,最後得出一致結論︰在1.4TeV處確實出現了異常現象。

這是近年來科學家離暗物質最近的一次發現。常進說,如果進一步研究確認與暗物質相關,人類就可以沿著“悟空”的腳步去找尋宇宙中5%以外的廣袤未知,這將是一個超出想象的成就。

“即便無法證明是暗物質的蹤跡,‘悟空’也為全人類打開了觀測宇宙的一扇新窗口。”常進說。

宇宙撈“針”︰“悟空”有哪些絕技

《自然》期刊中國區科學總監印格致(Ed Gerstner)對常進的話深以為然。“科學就是在一個接一個的‘可能’中不斷接近真理,”他說,“對科學家來說,發現異常未知的那一刻最興奮。”

不過,尋找“異常”與“可能”絕非易事。自2015年底發射升空,“悟空”探測了35億多個高能宇宙射線,從中總共搜尋出100多個異常電子,難度不亞于大海撈針。

“天上的輻射背景太復雜,需要做出區分。”“悟空”科學應用系統總設計師伍健說,與國際同類探測設備相比,“悟空”在“高能電子、伽馬射線的能量測量準確度”和“區分不同種類宇宙射線的本領”這兩項關鍵技術指標方面世界領先,尤其適合尋找暗物質粒子湮滅過程中產生的一些非常尖銳的信號。

“就好比在有上千萬人口的城市里找到特定的一個人,既要快,又要準。”常進說。

目前國際上知名的相關研究項目有美國費米衛星,日本量能器型電子望遠鏡,以及著名物理學家丁肇中主持的阿爾法磁譜儀等。“悟空”科學應用系統副總師範一中說,相比同類設備,“悟空”顯著提高了電子能量觀測的上限,得到的電子樣本“純淨”程度也最高,這是中國科研人員自主提出的新探測技術,實現了對高能電子、伽馬射線的“經濟實用型”觀測。

香港大學物理系副教授蘇萌說,關鍵性的“拐折”由“悟空”首次測量出來,說明中國的暗物質衛星測量水平具有非常獨到的優勢。

“悟空”研究團隊也坦承,目前數據統計量還不夠,存在一定的統計誤差。“我們是‘靠天吃飯’,天上有多少宇宙射線,我們才能測到多少事例。”常進說,要降低統計誤差,唯一辦法是積累大量數據,這需要更多時間。

好消息是,“悟空”在軌運行狀況很好,預計衛星在天工作時間會大大超過設計壽命。“悟空”研究團隊透露,今後兩三年是衛星數據分析的關鍵時期,收集到目標事例越來越多,繪制的能譜越來越精確,還將有系列重大成果發布。

探索“無人區”︰中國瞄準人類科學前沿

不久前,伍健到歐洲的合作伙伴總部訪問,會議室陳列了三個科學實驗裝置的標志,按時間順序分別是費米衛星、阿爾法磁譜儀和“悟空”。“這是他們從數十個合作項目中選出的、有代表性的實驗,在相關領域最有希望取得成就。”伍健說。

“悟空”對暗物質的探尋,已經逐漸進入科學的“無人區”。但在“無人區”做一個“領跑者”,不是件容易的事。原創思想、技術實力,這些年來“悟空”研究團隊沒少被質疑。

上世紀90年代末,由于資金短缺,常進加入美國一個高能宇宙射線研究項目。起初,他的觀測方法得不到美方同行的認同,經過反復模擬和實驗驗證,美方的南極氣球項目終于采納了他的方法,並在高能電子觀測方面取得重要進展。

時隔多年,美國團隊中一位教授在國際學術會議上提到此事,還連連感慨︰“中國的常教授當年給我們帶來一個瘋狂的想法,結果一舉成功!”

“悟空”用的一個探測器關鍵芯片需要進口,但當時國外對中國禁運這類芯片。“悟空”研究團隊從零開始,研究芯片、改裝芯片,最終用自己的技術解決了這一問題。

“整天跟著別人屁股後面搞研究,談何自主創新?”常進說,“中國的科研人員一定要有自信,外國的技術路線不見得比我們強,關鍵在于我們找到了正確方法後自己能否守得住。”

站在科學的最前沿,也讓中國科學家贏得更多榮譽。“我們主導的研究發現,就能把自己的名字署在上面。”範一中說。

從衛星設計、測試起,以常進為首的“悟空”研究團隊不斷吸引國內外科研人員加入,目前已經形成了來自中國、瑞士、意大利等國,人數超過100名的多學科頂尖人才團隊。

從深海載人技術到量子保密通信,從“天眼”到“悟空”,中國對科學和技術“無人區”的探索日漸成為常態。“聚沙成塔,國家實力不斷增強,對基礎研究不斷重視,讓以前不可能的事情成為現實,也讓科學家有機會實現更偉大的夢想。”常進說。

(新華社北京11月30日電)

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